[논문]지연시간을 개선하기 위한 마이크로 컨트롤러의 효율적인 프로그래밍 방법

이경남; 김영민

doi:10.7471/ikeee.2019.23.3.1068

초록
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오늘날 우리가 사용하고 있는 대부분의 전자제품에는 마이크로 컨트롤러가 내장되어 있으며, 이를 내장한 미니컴퓨터를 임베디드 시스템이라고 한다. 이러한 소규모 환경에서는 마이크로 컨트롤러에 응답성이 매우 중요한데 본 논문에서는 마이크로 컨트롤러에 기본적인 입출력 제어, 타이머/카운터 인터럽트 동작원리 및 이해에 대한 내용과 더불어 마이크로 컨트롤러 내의 플래시메모리에 각 프로그램 실행 루틴인 메인 루틴 및 인터럽트 서비스루틴에 대한 특징 및 프로그램 실행 순서를 컨트롤하여 처리율과 레이턴시를 개선하는 프로그램 로직을 제안하고 있다. 본 논문에서의 하드웨어 시뮬레이션은 아트멜사와 마이크로칩사에서 출시한 ATmega128과 PIC16F877A 마이크로 컨트롤러를 이용하여 검증이 실시되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most of the electronics we use today have built-in microcontrollers, which are called embedded systems. In such a small environment, responsiveness is very important for the microcontroller. In this paper, the basic input/output control, timer/counter interrupt operation principle, and understanding...

Most of the electronics we use today have built-in microcontrollers, which are called embedded systems. In such a small environment, responsiveness is very important for the microcontroller. In this paper, the basic input/output control, timer/counter interrupt operation principle, and understanding of the microcontroller are described. Program logic is proposed to improve throughput and latency by controlling characteristics of service routine and program execution order. The hardware simulations in this paper were verified using ATmega128 and PIC16F877A from Atmel and Microchip.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. ATmega128 Pin Assign [5]. 그림 1. ATmega128 핀 배열 [5]
그림 Fig. 2. Diagram of ATmega128 input/output port. 그림 2. ATmega128 입출력포트 다이어그램
그림 Fig. 3. Status Register. 그림 3. 상태레지스터
그림 Fig. 4. Timer/Counter Register 0. 그림 4. 타이머/카운터 레지스터 0
그림 Fig. 5. Timer/Counter Control Register 0. 그림 5. 타이머/카운터 컨트롤 레지스터 0
그림 Fig. 6. Timing Diagram of Timer/Counter Operation. 그림 6. 타이머/카운터 타이밍 다이어그램
그림 Fig. 7. Diagram of Interrupt sequence. 그림 7. 인터럽트 시퀸스 다이어그램
그림 Fig. 8. Image of control DC motor using Interrupt Vector handling coding with ATmega128 Evaluation Board and DC motor driver. 그림 8. 인터럽트 벡터 핸들링을 사용하여 ATmega128 평가 보드와 L298N 모터 드라이버로 DC모터를 제어하는 사진
그림 Fig. 9. Image of control DC motor, Step motor Sever motor using Interrupt Vector Handling Coding with PIC16F877A Evaluation Board and DC motor driver. 그림 9. 인터럽트 벡터 핸들링을 사용하여 PIC16F877A 평가 보드에 DC모터, 서보모터, 스텝모터를 제어하는 하는 사진
그림 Fig. 10. Diagram of Endless Loop. 그림 10. 무한루프 다이어그램
그림 Fig. 11. Diagram of Endless Loop with Interrupt Service Routine. 그림 11. 인터럽트 서비스 루틴이 있는 무한루프의 다이어그램
그림 Fig. 12. Image of Input/output signal when using Endless Loop. 그림 12. 무한루프를 사용했을 때 입력/출력 신호 사진
그림 Fig. 13. Image of Input/output signal when using Endless Loop with Interrupt Service Routine. 그림 13. 무한루프와 인터럽트 서비스 루틴을 사용했을 때 입력/출력 신호 사진
표 Table 1. Table of Result using ATmega128 Evaluation Board. 표 1. ATmega128 평가 보드 결과 표
표 Table 2. Table of result using PIC16F877A Evaluation Board. 표 2. PIC16F877A Evaluation 보드 결과 표

AI 본문요약
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문제 정의

본 눈몬은 마이크로 컨트롤러에 처리율을 개선하기 위해서 새로운 접근을 제안한다. 가장 먼저 우리가 시뮬레이션에서 사용할 ATmeg128 입출력 포트 제 어방법과 타이머/카운터 인터럽트, 그리고 요청에 대한 응답을 처리 하는데 있어서 로직으로 주로 사 용되는 폴링 구동과 인터럽트 구동에 대해서 설명 했다.

제안 방법

본 논문에서 제안하는 각각의 입력과 출력코드를 분리 시켜 놓고 주기적으로 마이크로컨트롤러 내 부에서 인터럽트를 발생시켜 하드웨어 엣지 및 메 모리 변화를 감지하여 출력제어가 이루어진 무한 루프와 인터럽트 서비스 루틴이 적용 된 펌웨어 프 로그램은 시스템이 복잡하고 코드양이 길어질수록 필요한 효율적인 프로그래밍 기법이다.
본 논문에서 처리율(Throughput)을 높이고 지연 속도(Latency)를 낮추기 위해서는 그림 7처럼 입력 디바이스 체크는 타이머/카운터 인터럽트 서비스루 틴을 활용하여 실시간으로 처리하며 출력 디바이스 활성화는 무한루프에서 처리하도록 표현했다. 얼핏 보면 이것은 인터럽트 처리방식과 유사하다.

대상 데이터

마이크로 컨트롤러를 프로그래밍 할 때 우리가 제일 처음 익혀야 할 개념은 메모리 제어에 의한 포트 신호 체계이다. 본 논문에 사용한 마이크로 컨트롤러인 ATmega128은 어드레스 한 개에 데이터 메모리(Data Memory) 영역을 항상 가지고 있 다. 8비트 마이크로 컨트롤러는 읽거나 쓸 수 있는 데이터 버스가 8비트로 구성 되어있다.
본 실험에 사용된 평가 보드(Evaluation Board) 는 결과의 신뢰성을 높이기 위해서 각기 다른 제조 사 2개의 마이크로 컨트롤러 칩을 사용하여 시뮬레이션이 이루어졌다.

데이터처리

그림 8의 실험 구성은 아트멜사 마이크로 컨트롤러 인 ATmega128가 내장된 평가 보드를 사용했으며, 그림 9의 실험 구성은 마이크로칩사의 PIC16F877A 가 내장된 평가보드를 이용하였다. 이 실험을 통해 서 두개의 다른 로직인 펌웨어를 적용했을 때의 각 각의 처리율(Throughput)과 레이턴시(Latency)에 대한 차이를 비교 분석했다.

성능/효과

처리율의 향상 여부를 판단하기 위해서 일반 프로그램과 인터럽트 벡터 핸들링 프 로그램을 평가 보드에 다운로드하여 실행했다. 실 험은 객관성을 확보하기 위해서 2개의 마이크로 컨 트롤러인 ATmeg128과 PIC16F877A 평가 보드를 이용했고, 실험 결과는 PIC16F877A 평가 보드에서 최대 5.2배에 해당하는 레이턴시를 확인했다.

후속연구

또한 제안된 기법은 적용요건에 따라 다른 접근 방식을 사용해 여러 가지 다른 로직에 적용하여 입력에 대한 출력인 응답성을 개선 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴링방식은 무엇인가?	폴링방식은 정해진 시간 또는 순번에 상태를 확 인해서 상태 변화가 있는지 없는지를 체크하는 방 식이다[7].
	ATmega128에 타이머/카운터 인터럽트 서비스루 틴를 적용했을 때 지연 속도는 얼마나 향상되었는가?	처리율의 향상 여부를 판단하기 위해서 일반 프로그램과 인터럽트 벡터 핸들링 프 로그램을 평가 보드에 다운로드하여 실행했다. 실 험은 객관성을 확보하기 위해서 2개의 마이크로 컨 트롤러인 ATmeg128과 PIC16F877A 평가 보드를 이용했고, 실험 결과는 PIC16F877A 평가 보드에서 최대 5.2배에 해당하는 레이턴시를 확인했다.
	인터럽트 처리방식의 특징은 무엇인가?	반면에 인터럽트 처리방식은 마이크로 컨트롤러 가 해당 하드웨어 및 디바이스에 우선순위를 정해 놓고 우선순위가 높은 TASK가 발생하면 현재 실 행하고 있는 작업을 중단하고 우선순위가 높은 TASK가 실행되므로 폴링방식의 단점을 보완할 수 있다.

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